Jiang Anping, le bétail Yan Bo, Wen-Hu Rui, Hu était cher, Wu Xiaojing, Liu entier, Liu Lili, He Yu
(Beijing Microelectronics Technology Institute, Beijing 100076)
Technique dans le temps de précision l'exploration spatiale de mesure, une variété de mesure et le champ de la vitesse de physique des hautes énergies, le débit et la distance ont une grande applicabilité pour atteindre cette fonction est appelée le temps de circuit numérique (Time-to-Digital Converter, TDC). L'analyse des différents types de principe technique et la mesure du temps de grande précision, sur la base de la conception de la puce de TDC introduit basé sur un oscillateur en anneau (oscillateur en anneau) est. La puce en utilisant 0,18 um 1P5M traitement de feuilles CMOS d'écoulement de traitement, les résultats du test montrent que la résolution de mesure de 52 ps, le champ peut être utilisé pour mesurer une variété de vitesse d'écoulement, la température, la distance et analogues.
La mesure du temps, le temps de convertisseur numérique (le TDC); méthode de la ligne à retard à prises, un oscillateur en anneau (oscillateur en anneau)
CLC: TN47
Code de document: A
DOI: 10,16157 / j.issn.0258-7998.2017.01.017
format de citation chinois: Jiang Anping, vague bovine Yan, Hu Wenrui, etc. Conception d'un oscillateur en anneau mise en uvre de la puce de mesure du temps de haute précision à base Technologie électronique, 2017,43 (1): 64-67,71.
Anglais format de citation: Jiang Anping, Niu Yanbo, Hu Wenrui, et al. Conception d'une puce temps-numérique à haute résolution sur la base de convertisseur oscillateur en anneau .Application Technique électronique, 2017,43 (1): 64-67,71.
0 introduction
technique de mesure du temps de haute précision dans l'exploration spatiale, le champ de mesure de la physique des hautes énergies, la détection et le trafic de télémétrie, la distance, la température, l'épaisseur et similaires ont un rôle extrêmement important. Il existe une variété de circuits intégrés par la méthode de mesure du temps de haute précision, le nom plus commun de ces circuits est temps numérique (Time-to-Digital Converter, TDC) . circuit TDC a différents principes et les méthodes de mise en uvre, le procédé le plus couramment utilisé comprend une ligne à retard à prises, une charge de condensateur et un procédé de curseur de décharge et analogues. En premier lieu, le principe de la technique de circuit de TDC et de mise en oeuvre sera décrit sur la base de la conception de puces décrit un TDC basé oscillateur en anneau (oscillateur en anneau) est.
Un principe de mesure du temps de haute précision
temps de précision principe commun de mesure et procédé mis en oeuvre par le circuit intégré comprend ce qui suit.
1.1 Méthode de comptage direct
La TDC de circuit le plus simple est réalisée par un signal d'horloge pour compter le temps à mesurer est calculée à partir de la valeur de la valeur de temporisation, cette méthode est la méthode de comptage direct, la résolution est déterminée en mesurant la période de temps de signal d'horloge pour compter a. Etant donné que la génération et la transmission d'ultra-haute fréquence du signal d'horloge sont plus difficiles, de sorte que ce procédé atteint généralement que la résolution de mesure de nanosecondes. Cela rend impossible pour les applications où la mesure du temps de haute précision. Cependant, cette méthode peut être combinée avec d'autres techniques de mesure pour augmenter la plage de mesure.
1.2 Méthode de mesure basée sur un temps de ligne à retard
Procédé taraudé de principe de la ligne à retard est de commencer la période de temps mesuré le signal de démarrage est transmis par la ligne à retard, à l'aide du robinet sur la ligne à retard pour détecter le signal qui lui est transmis dans la position de ligne à retard à mesurer la période de temps pour obtenir la mesure du temps résultats. Dans ce procédé de mesure, le temps de retard de signal entre des prises adjacentes correspond à la résolution de la mesure. Lorsque mis en oeuvre par le circuit intégré, l'unité de retard utilise généralement un inverseur ou un tampon, dans des conditions opératoires temps de retard actuellement utilisés dans les unités d'environ 101 ~ 102PS grandeur, pour la plupart des mesures, par exemple la résolution le taux doit répondre aux exigences.
Le principe de base du circuit de mesure du temps de procédé de la ligne à retard à prises représenté sur la figure 1. Dans lequel le signal de démarrage est la période mesurée Start, Stop est le signal d'arrêt, la ligne à retard sur le signal de début transmis par le signal d'arrêt est échantillonné au niveau des robinets, le retard ~ Qn (thermomètre codeur), et chaque unité en fonction du résultat d'échantillonnage Q0 peut être la période de temps calculée de la longueur mesurée. Méthode intervalle de temps de retard de la ligne à retard à prises [tau] est déterminée par la longueur de la ligne à retard (le nombre d'unités de retard) et les unités, sa résolution est le temps de retard unité. Afin d'utiliser moins de ressources matérielles pour réaliser à grande échelle, dans la conception même de la ligne à retard à prises est généralement configuré sous la forme d'un oscillateur en anneau (oscillateur en anneau) est .
1.3 Méthode de mesure sur la base des curseurs temps
Pour obtenir une résolution de mesure plus élevée, un procédé similaire peut être utilisé étrier . Il utilise deux lignes à retard, chaque ligne à retard dans le temps de retard de chaque unité sont [tau] 1 et 2 (1 > [Tau] 2), une différence de retard fixe entre 1 et [tau] 2, et à la fin du signal de début de démarrage le signal d'arrêt transmis (retard de transmission de signal de Démarrage Lent, le retard de transmission rapide Signal d'arrêt) par les deux lignes à retard, respectivement, lorsqu'elle est mesurée pour détecter le signal processus de transfert de signal de capture Start Stop à tout moment, par la position du point de temps de réunion pour obtenir une différence entre le démarrage et d'arrêt. Cette méthode de mesure est la résolution de la ligne à retard de deux différences de temps de retard unitaire, à savoir (1 2 ~). Et sa gamme (1 ~ 2) déterminé par le nombre d'unités de retard. Après la détermination du retard de signal de rencontre heure de début et d'arrêt peut être réalisé par échantillonnage bascule, un signal spécial peut être utilisé pour réaliser le circuit de détection de coïncidence la . Afin d'assurer que le circuit de mesure du retard de deux cellules dans un délai stable est très souvent par la PLL ou DLL.
1.4 Mesure de l'analogue en fonction du temps
TDC implémentations basées sur le circuit analogique comprend un temps de charge condensateur procédé d'amplification et analogues. Condensateur procédé de charge à l'aide d'une source de courant à mesurer à un temps de charge du condensateur, le procédé de traitement après divisée en deux: l'un est la décharge du condensateur source de courant avec un autre, mais le courant de décharge que le courant de charge beaucoup plus petit. Le rapport entre le courant de charge et le courant de décharge Icharge Idischarge détermine le rapport entre le temps de charge et décharge le temps de la période mesurée de temps pour réaliser l'amplification par ce procédé. Un autre procédé est la période de temps mesurée après l'achèvement de la valeur de tension de charge du condensateur en utilisant l'ADC directement convertis de condensateur , le temps de charge peut être calculée, qui est mesurée par la source de courant de charge et de la résolution de l'ADC la résolution détermine.
Intervalle de temps est amplifié par la méthode d'amplification de la durée du circuit d'amplification d'un signal d'intervalle de temps légèrement en segments de temps mesuré relativement facilement, ce qui améliore la résolution de mesure de ce fait, la mesure du temps précis .
Plusieurs mises en uvre des principes ci-dessus, la conception du circuit analogique varie selon le processus, la migration des processus plus difficile. ligne de retard différentiel en fonction des exigences de conception de la linéarité et la stabilité des deux lignes à retard ont un très bon contrôle, le résultat de la mesure sera très facile de faire une erreur se produit. ligne à retard unique mode de réalisation a une structure simple, la migration de processus est bonne, une bonne linéarité des avantages de l'utilisation de la configuration de l'oscillateur en anneau peut raccourcir la longueur de la ligne à retard, afin de réduire la surface de la puce, et contribuer à améliorer la linéarité. Par conséquent, sur la base de l'analyse et la comparaison de l'autre principe de mesure de temps, la conception de la puce de TDC décrit ici est sélectionné sur la base d'une technique de ligne à retard à prises, dans lequel la phase de finition par une forme de ligne à retard à prises d'un oscillateur en anneau. La conception de la puce de TDC dans la section suivante.
2 conception de puces de TDC
Conditions de mesures de débit de distance et d'autres applications, généralement 90 ps résolution dans la plupart des cas pour répondre à la demande. ARRIERE-PLAN Dans ces applications, une conception de puce de TDC, dans lequel la partie de mesure est l'oscillateur en anneau de noyau configuration de ligne à retard à prises en oeuvre.
La section de noyau de mesure 2.1
un moyen d'oscillateur anneau utilisé détermine l'unité de ligne à retard de retard , qui est la résolution de la mesure. Dans une conception de circuit intégré, unité la plus logique est simple un onduleur, cette conception est également employé comme éléments de retard de l'onduleur. Pendant ce temps, l'oscillateur en anneau génère un signal d'horloge comme une horloge Ring_Clk amende compteur pour le nombre d'oscillations de l'oscillateur en anneau est prise en compte, les résultats obtenus et des échantillons de sortie de l'oscillateur en anneau de compteur de fin de chaque onduleur constituent ensemble les résultats réels obtenus les valeurs mesurées. Pour mesurer une pluralité de conception à deux canaux du circuit d'échantillonnage, qui peut correspondre à un signal de début de démarrage deux signal d'arrêt différent (Stop1 et Stop2), et le signal d'arrêt dans chaque canal peut être échantillonné plusieurs fois. Il peut être calculé en fonction d'une valeur de résultat de la mesure du temps et de l'oscillateur bague de finition compteur d'échantillonnage:
Dans lequel, Cnt_fine est contrôlée par la valeur de l'amende compteur Ring_Clk, n est le nombre d'oscillateur en anneau stades, m est un résultat d'échantillonnage du signal de transmission dans l'oscillateur en anneau avec le signal Stop1 / Stop2 (thermomètre de code) converti en une valeur numérique, est une unité d'oscillateur en anneau temps de retard. Par la formule (1) peut être vu, la plage de mesure de l'oscillateur en anneau (PO) est entraîné par le compteur fin chiffres oscillateur en anneau étapes et le signal d'horloge d'oscillateur en anneau est déterminé, ce qui est le temps de retard unité de résolution mesure minimale .
La conception de l'oscillateur en anneau a une grande influence sur la précision et la mesure du rendement. Conception pour assurer oscillateur en anneau premier uniforme et l'unité de circuit d'échantillonnage afin de réduire la fréquence des résultats de la mesure non-linéaires, et par conséquent, cette partie de la disposition à l'aide d'une méthode de conception personnalisée. En second lieu, les transistors dans la sélection de la taille de l'unité de retard oscillateur en anneau est important, si elle est trop petite, de sorte que la résolution de mesure est faible, si elle est trop grande, la consommation d'énergie augmentera le nombre de l'oscillateur en anneau, et la mesure de l'amélioration de la résolution n'est pas évident, donc délai de conception des cellules est d'envisager une variété de facteurs et compromettre les résultats. analyse de simulation SPICE et de comparaison, l'oscillateur en anneau pour déterminer la taille finale du transistor de cellule:
transistor PMOS: Wp = 2,18 um, Lp = 0,18 pm
transistor NMOS: Wn = 0,84 um, Ln = 0,18 pm
Une fois le résultat de la simulation de la taille d'un tel auquel le temps de retard est généralement 25 °.] C 51,29 ps.
circuit TDC dans le processus de mesure, étant donné que l'oscillateur en anneau fonctionne à partie à haute fréquence, est échantillonnée dans la commande de signal asynchrone externe, ce qui nécessite une attention particulière de métastabilité survenant au cours de l'échantillonnage. Anneau oscillateur avec le codeur de thermomètre de résultat d'échantillonnage, le processus de sous-échantillonnage apportera des résultats des problèmes de bulles stables, ce qui élimine les bulles est ajouté lorsque le codeur logique de thermomètre converti en codes binaires. Les résultats du processus d'échantillonnage des problèmes de compteur fine causés par l'état métastable peuvent également se produire, bien contre en utilisant un format de code Gray à cet effet, afin de réduire la probabilité d'erreurs. En même temps, nous utilisons diverses mesures à l'instabilité de la situation afin d'éviter la conception du circuit de signal.
2.2 Fonction globale
les fonctions de la puce TDC sont commandés par le microcontrôleur par l'intermédiaire de l'interface SPI, les résultats mesurés lus par l'unité MCU via le SPI. diagramme de la puce de bloc de configuration générale représentée sur la figure TDC.
Afin de répondre aux besoins des différentes applications, conçu pour supporter deux gammes de mesure: Plage1 et Plage2. Range1 en utilisant uniquement le signal d'horloge d'oscillateur en anneau et génère la mesure de compteur de commande Ring_Clk fine, une plage relativement petite; Range2 en utilisant l'oscillateur en anneau, et une amende compteur commandé par l'horloge du système de mesure compteur rugueuse, l'intervalle est relativement grande. Dans la conception de la puce, Range1 la gamme est de 9 ns à 2,9 ps, Range2 dans l'intervalle de l'horloge à 4 MHz en utilisant un compteur et le temps quelle que soit la fréquence de commande grossière de 750 ns à 16 ms. Divers modes de mesure oscillateur en anneau est utilisé, la résolution temporelle du résultat de mesure global est toujours un temps de retard de l'unité de retard de l'oscillateur en anneau. Lors de l'utilisation, peuvent être choisis en fonction de la longueur correspondant à la plage de mesure du temps mesuré.
Et plus Range1 mesure Range2, la puce prend également en charge d'auto-étalonnage, de la température et d'autres fonctions. Comme il peut être déterminé lorsque la puce TDC avec des paramètres de traitement, lorsque la tension de fonctionnement et des conditions de température et les résultats changement calibré par le signal d'horloge d'étalonnage est générée comme un oscillateur à cristal de référence de temps à corriger. Mesure de la température est obtenue en mesurant la différence dans le temps de décharge de la thermistance et la résistance de référence, ce par quoi la température peut être calculée. Le processus de mesure est mesurée dans le temps pour la partie centrale.
2.3 Conception physique
La puce de TDC est conçu en utilisant 0,18? M Zi 1P5M 1,8 V noyau / 3,3 V IO processus CMOS. Afin de garantir les performances de la puce, et le circuit d'oscillateur en anneau échantillon en utilisant un procédé de conception de mise en page personnalisée. Autre partie logique basée sur la bibliothèque de cellules standard, en utilisant les outils de conception et de mise en page de la logique. La conception finale est terminée surface de la puce: 1,1056 × 1,1056 mm2. agencement d'une puce TDC représenté sur la figure. Tout au long du processus de conception est vérifiée par la conception de la simulation, les résultats de la simulation montrent que les indicateurs fonctions et paramètres sont conformes aux exigences de conception.
2.4 test à puce
évacuation des copeaux à travers la TDC 0,18 um technologie des puces 1P5M CMOS. Après la fin de la feuille d'écoulement de traitement, en utilisant l'appareil de test de circuit intégré paramètres ont été testés et les paramètres de performance. les résultats des tests réels montrent que les fonctions de la puce de TDC correctement, les paramètres sont conformes aux exigences de conception, peut fonctionner dans la plage de température -40 ~ + 85 de. Certains paramètres des résultats de tests réels de la tension d'E / S de 3,3 V, 1,8 V des conditions de tension de base sont présentés dans le tableau 1. Dans lequel la consommation de courant de repos est principalement utilisé par le régulateur de tension IP consommation, selon ses modes de repos conditions de courant d'environ 25 deg.] C typiquement 120 uA. Les résultats des tests montrent que la conception de la puce de mesure résolution TDC champ de mesure possible de répondre aux exigences d'application de différents flux, la température, la distance et la vitesse.
Étant donné que la valeur de sortie de TDC est une mesure de la puce, la puce et l'environnement extérieur entraînera des changements dans les résultats de mesure de la différence, en utilisant une machine d'essai IC classique pour tester l'efficacité n'est pas élevé. Sur la base de cette situation a développé une carte de circuit de test spécial, comme le montre la figure. Ce test peut être effectué par les fonctions de la puce de test de la plaque de base et des paramètres, l'efficacité du test est significativement améliorée.
3 résumé
Cet article décrit le principe et la réalisation des techniques de mesure du temps de grande précision, sur la base de cette conception décrit un oscillateur en anneau à puce TDC sur la base de la puce prend en charge diverses fonctions de mesure et d'étalonnage, en utilisant 0,18 um processus 1P5M CMOS à réaliser, la résolution de mesure atteindre 52 ps, répondre aux besoins d'une variété d'applications.
références
KALISZ J.Review des méthodes de mesure d'intervalle de temps avec une résolution picoseconde .Metrologia Journal international de métrologie scientifique, 2004,41 (1): 17-32.
Zhang Yan, Huangpei Cheng. Temps de précision technique de mesure d'intervalle et un procédé la progression de l'astronomie .2006,24 (1): 1-15
NAPOLITANO P, Moschitta A, CARBONE enquête P.Un sur les techniques de mesure de l'intervalle de temps et les méthodes d'essai .Instrumentation et mesure Technology Conference (I2MTC) .IEEE Conférence Publications, 2010.
VOELKER M, HAUER J.A. oscillateur à faible puissance sur la base TDC avec en-système de correction de non-linéarité 0,2012 IEEE Symposium international sur les circuits et Systems.IEEE Conférence Publications, 2012.
YU J, DAI F F, R JAEGER C. A 12 bits vernier anneau time-to-digital converter à 0,13 um technologie CMOS .IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2010,45 (4): 830-842.
Blutman K, J ANGEVARE, ZJAJO A, et al.0.1pJ gel vernier time-to-digital converter en 65nm CMOS 0,2014 IEEE Symposium international sur les circuits et les systèmes (ISCAS) .IEEE Conférence Publications, 2014.
ABAS M A, RUSSELL G, D KINNIMENT J.Embedded système de mesure du retard de haute résolution en utilisant une amplification en temps .IET Ordinateurs et numérique Techniques.2007,1 (2): 77-86.
P CHEN, ZHENG J C, CHEN C C.Un monolithique temps-numérique à base de vernier convertisseur à double PLL pour l'auto-étalonnage .IEEE 2005 Circuits intégrés personnalisés Conference.IEEE Conférence Publications, 2005.
DUDEK P, S SZCZEPANSKI, HATFIELD J V.Un convertisseur haute-rés olution-CMOS temps-numérique en utilisant une ligne à retard Vernier .IEEE Transactions sur Circuits.2000,35 Solid-State (2): 240-247
GARG A, DUBEY mesure de la gigue à puce P.ON à travers un point mort haut de haute précision .9th Symposium international sur la qualité électronique (ISQED 2008) .IEEE Conférence Publications, 2008.
XU Z, MIYAHARA M, MATSUZAWA A.Picosecond résolution convertisseur numérique-temps en utilisant l'intégrateur Gm-C et RS-ADC .IEEE Transactions sur Science.2014,61 nucléaire (2): 852-859.
Oulmane M, G ROBERTS W.Procédé amplificateur CMOS temps pour femto-seconde mesure de cadencement de résolution .Proceedings du Symposium international 2004 sur les circuits et les systèmes (ISCAS 2004) Conférence .IEEE Publications, 2004.
CHUNG M H, W LIU S, CHOU H amplification P.Time en utilisant l'amplificateur différentiel en boucle fermée 0,2012 Symposium scientifique nucléaire et IEEE Conférence imagerie médicale (NSS / MIC) .IEEE Conférence Publications, 2012.
